李新穎，補金梓，路 易

（中國電建集團貴陽勘測設(shè)計研究院，貴州 貴陽 550081）

溢洪道作為樞紐區(qū)重要的泄水建筑物，其布置形式及結(jié)構(gòu)設(shè)計對于汛期的大壩安全穩(wěn)定起著至關(guān)重要的作用。隨著我國水利工程的發(fā)展，對溢洪道渠首的研究也逐漸深入。郭紅民[1]以實際水庫工程為例，結(jié)合物理模型和數(shù)值模擬，比較了溢洪道進口側(cè)邊結(jié)構(gòu)采用局部削坡、弧形垂直翼墻、變坡翼墻等方案，通過觀察進口水流流態(tài)、流速、漩渦、紊動能及水面變化等水力學特征，發(fā)現(xiàn)采用弧形垂直翼墻的方案可減緩進口的不利流態(tài),達到進口水流平穩(wěn)的目的。譚宇靜[2]將原設(shè)計方案中的喇叭口翼墻調(diào)整為平直設(shè)計并與溢洪道的中軸線平行，對溢洪道非對稱進口導流墻進行優(yōu)化設(shè)計，明顯的改善了水流流態(tài)，提高了溢洪道沿程的水位分布均勻度。柏劍[3]通過對溢洪道進口形式、底寬、比降進行優(yōu)化，進口段增設(shè)齒墻、增加進口邊墻高度，并結(jié)合控制段、明渠段、泄槽段的等優(yōu)化調(diào)整，提高原有水庫的泄流能力及安全系數(shù)，降低了汛期的安全隱患。

本文以實際工程為依托，結(jié)合物理模型試驗，對溢洪道渠首的初步設(shè)計進行研究并提出優(yōu)化方案，并對優(yōu)化后的泄流能力、流態(tài)及水力特性進行分析，為工程的后續(xù)設(shè)計提供了理論依據(jù)。

1 項目概況及試驗目的

該工程為混凝土面板堆石壩，壩頂高程1 305.60m，河床段趾板建基面高程1 233.4m，最大壩高72.20m；壩頂寬7.0m（凈寬），最大壩底寬250m；壩 軸 線 方 位 角 為N17.31°E， 壩 頂 長168.62m。

壩址以上控制集水面積55.5km2，多年平均流1.33m3/s，多年平均年徑流量4 186萬m3。水庫的主要任務(wù)是供水及灌溉。工程建成后，將有效解決附近集鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園區(qū)8.0萬人城市用水、鄰近村寨1.5萬農(nóng)村居民人畜用水；日供水量為3.44萬m3/d，年供水量為1 256萬m3/年；同時向周邊7 450畝耕地提供農(nóng)灌用水，多年平均年供水量為237萬m3，80%保證率的年灌溉水量為270萬m3。

溢洪道布置在左壩端，為開敞式無閘側(cè)堰溢洪道，溢流凈寬32.0m，堰型為WES實用堰，堰面曲線采用冪曲線y=0.186x1.85，堰頂高程為1 301.0m，橋面高程為1 305.60m，溢洪道由進水渠、側(cè)槽段、調(diào)整段、泄槽、消能工和下游海曼段組成，總長316.03m（含引渠和海曼段）。側(cè)槽段凈寬32m，泄槽凈寬度為12m，泄槽底坡為：溢0+000.00—溢0+045.00段 底 坡i=0.0653；溢0+053.91—溢0+161.09段底坡i=0.51，中間采用拋物線y=0.065x+0.025x2銜接。泄槽采用C30混凝土襯砌，泄槽邊墻高4.5m，邊墻厚度為1.0m，底板厚1.0m。工程采用底流消能的方式進行消能，消力池池長60m，池寬底板頂面高程1 235.00m，底板厚度3.0m。消力池后設(shè)100m長C25混凝土海曼至取水放空建筑物出口。

通常，在初步設(shè)計方案擬定后，通過水力模型試驗驗證原設(shè)計方案的合理性、可靠性及科學性[4-6]，本試驗的目的為驗證溢洪道結(jié)構(gòu)設(shè)計布置，進一步優(yōu)化溢洪道布置及體型設(shè)計；驗證下游消能效果，使消能效果達到最佳。

2 水力模型試驗過程

2.1 模型設(shè)計

本模型試驗主要對水位—流量關(guān)系、流態(tài)、溢洪道水力特性、下游河道流場及岸邊水面高程等問題進行研究。模型按重力相似準則設(shè)計[7-9]，模型比尺為1：40的正態(tài)模型，各物理量的相似關(guān)系如下：

模型庫區(qū)和下游河道采用混凝土參照原始地形修建而成（模型糙率通過比尺換算得到并盡量保證二者相似）；溢流壩面及放空底孔采用透明有機玻璃制作，使流態(tài)清晰可見，便于觀察。試驗中壓力測量采用測壓管方法。

根據(jù)設(shè)計給定混凝土建筑物原型糙率約為n＝0.014，則沿程阻力相似所要求的模型糙率應為nm=0.0076，根據(jù)大量模型試驗驗證有機玻璃模型糙率約為0.0078—0.0082，兩者差別小，因此認為模型糙率基本相似。初步設(shè)計特征水位見表1。

表1 特征水位泄量關(guān)系

模型的整體布置情況如圖1所示。

圖1 模型試驗全景

2.2 初設(shè)模型試驗結(jié)果

2.2.1 泄流能力

通過對不同水位條件下模型的泄流能力進行分析，得到水位、流量、以及流量系數(shù)三者之間的關(guān)系圖，如圖2所示。

圖2 初設(shè)模型泄流能力

從計算結(jié)果可知，溢洪道流量系數(shù)整體呈先增大后減小的趨勢。當水庫水位較小時，溢流堰過流能力受邊界影響相對較大，流量系數(shù)相對較??；隨著庫水位的逐漸增大，邊界對溢流堰泄流能力的影響逐漸減弱，流量系數(shù)逐漸增大；當庫水位繼續(xù)增大至一定程度時，堰下水深較大，并出現(xiàn)了一定程度的淹沒現(xiàn)象，導致流量系數(shù)在高水位時溢流堰流量系數(shù)相比之前減小。同時通過數(shù)據(jù)擬合得到在校核水位1 304.58m時，溢流堰泄流為430.86m3/s，小于設(shè)計值463m3/s。

2.2.2 流態(tài)

初設(shè)模型中不同工況下溢流堰進口（圖3a）水流較為平順，進口右側(cè)導墻基本未出現(xiàn)繞流現(xiàn)象，但左側(cè)導墻均出現(xiàn)了相對較強的繞流，同時校核工況堰下水深較高，出現(xiàn)較強的淹沒，一定程度上削弱了溢流堰的過流能力。

其次，從摻氣坎（圖3b）起始位置的水流流態(tài)來看，摻氣坎前水流比較均勻，引渠段由于過流邊界不對稱而產(chǎn)生的折沖現(xiàn)象在摻氣坎位置已經(jīng)基本消失。不同工況下?lián)綒饪矒綒饬己?，空腔持續(xù)穩(wěn)定貫通，挑射水舌穩(wěn)定，通氣豎井補氣充分，通氣豎井尺寸滿足要求。但由于摻氣挑坎的挑角稍微偏大，因此在保持坎高不變的前提下，可適當減小摻氣坎坡度，減弱挑流水舌對泄槽底板的沖擊作用。

圖3 消能防沖工況流態(tài)（P=3.33%）

初設(shè)模型中不同工況下消力池（圖3c）消能充分，消力池池長滿足要求，消力池與下游河道銜接較為順暢，根據(jù)地形條件消力池出口左邊墻距離下游左岸（圖3d）護岸尚有一定距離，即該區(qū)域水流未能完全被利用；從現(xiàn)場模型中觀察到消力池出口右側(cè)水流直沖右防護岸，從工程安全角度出發(fā)，應對此進行優(yōu)化處理。

2.3 模型優(yōu)化

針對上述問題，對溢洪道設(shè)計進行優(yōu)化。具體為：

（1）為減弱堰前繞流，增大溢流堰過流能力，將堰前左側(cè)直導墻改為圓弧導墻，圓弧半徑R=15.0m，圓心角θ=40.07°；進口右側(cè)導墻同樣做導圓處理，圓弧半徑R=1.39m；將溢流堰右側(cè)導墻與泄槽邊墻銜接的小圓弧半徑增大至R=6.00m，圓心角θ=72.59°；另外，由于本工程為土石壩，溢流堰具有一定的超泄能力，將堰頂寬度從32m增加至34m，如圖4所示。

圖4 溢洪道進口模型優(yōu)化方案

（2）為充分利用消力池的效能效果，并防止右岸側(cè)防護岸被長期沖擊，將初步設(shè)計中的平角出口調(diào)整為圓角出口，左側(cè)邊墻起弧點位置提前至溢0+201.09，圓弧半徑R=20.00m，如圖5所示。

圖5 消力池出口模型優(yōu)化方案

（3）由于堰后存在較強的淹沒，降低溢流堰的過流能力。為降低堰后水深、減少淹沒，可將調(diào)整段末端高1m的坎取消，泄槽底板i=0.0015和i=0.0653采用直接銜接；側(cè)槽段與調(diào)整段i=0.0015的底坡調(diào)整為平坡，平坡終點樁號溢0+006.00，其后通過i=0.05128的斜坡與銜接曲線起始點進行銜接，如圖6所示。

圖6 泄槽底板模型優(yōu)化方案

2.4 優(yōu)化后模型性能研究

2.4.1 泄流能力

與優(yōu)化前相比，流量系數(shù)的變化趨勢基本不變。隨著庫水位的逐漸升高，溢洪道流量系數(shù)先逐漸增大，水庫水位較小時溢流堰過流能力受邊界影響相對較大，流量系數(shù)相對減?。浑S著水位的逐漸增大，邊界對溢流堰泄流能力的影響逐漸減弱，流量系數(shù)逐漸增大并趨于穩(wěn)定；隨著流量繼續(xù)增大，堰下水流淹沒的影響趨于明顯，流量系數(shù)有所減小。校核水位1 304.71m時，溢流堰泄流474.60m3/s，大于設(shè)計值463m3/s，溢洪道泄流能力滿足要求，優(yōu)化后的模型泄流能力比初設(shè)模型有所提高，如圖7所示。

圖7 優(yōu)化后模型泄流能力

2.4.2 流態(tài)

從現(xiàn)場試驗（圖8）可以看到，增設(shè)左側(cè)圓弧導墻并將右側(cè)導墻導圓后，溢流堰進口水流平順，基本沒有繞流產(chǎn)生。堰下水流產(chǎn)生的輕微水流折沖現(xiàn)象也不會對溢洪道側(cè)墻結(jié)構(gòu)造成過大的影響，可不予考慮。從摻氣坎起始位置的水流流態(tài)也可以看到，在摻氣坎前水流已經(jīng)調(diào)整得比較均勻。

圖8 優(yōu)化后模型流態(tài)

不同工況下?lián)綒饪矒綒饬己?，空腔持續(xù)穩(wěn)定貫通，挑射水舌穩(wěn)定，不同工況下?lián)綒饪涨婚L度統(tǒng)計見圖9。隨著泄流量的減小，空腔長度也逐漸減小，摻氣坎設(shè)計體型滿足要求。

圖9 優(yōu)化前后摻氣坎空腔長度對比

不同工況下消力池消能充分，池長與池深滿足要求；消力池與下游河道銜接較為順暢，基本未出現(xiàn)水流頂沖對岸的不利現(xiàn)象。將消力池出口邊墻向左岸導圓后（圖10），校核工況下出池水流明顯向左岸偏轉(zhuǎn)，有利于右岸岸坡的防沖，其余工況由于流量較小，流態(tài)未有明顯變化。

圖10 消力池出口水流流態(tài)

2.4.3 溢洪道水力特性

通過對優(yōu)化后的模型觀測，不同工況下溢洪道過流面的壓強未出現(xiàn)負壓狀況，且沿程水面波動較小且壓強基本沒有出現(xiàn)較大的異常突變，同時各部位空化數(shù)均大于0.3（圖11），滿足抗空化要求。

圖11 優(yōu)化模型水力特性

3 結(jié)論

1、通過在溢流堰進口兩側(cè)設(shè)圓弧導墻來減弱繞流，取消側(cè)槽調(diào)整段的1m高尾坎，堰寬增大至34m后，溢洪道泄流能力得到了顯著提高，校核水位1 304.71m時，溢流堰泄流474.60m3/s，大于設(shè)計值463m3/s，溢洪道泄流能力滿足要求。

2、摻氣坎摻氣充分，摻氣空腔穩(wěn)定貫通，摻氣坎與補氣豎井尺寸合理；在不改變坎高的前提下，適當減小摻氣坎坡度，有助于減弱挑射水舌對泄槽底板的沖擊作用。

3、不同工況條件下消力池消能充分，池內(nèi)發(fā)生淹沒式水躍，消力池池長滿足要求。□